LNF:L2HPED Estudio de Transiciones L-H y Pedestal en Modo H en Tokamaks

LNF - Nationally funded project

Title: Estudio de Transiciones L-H y Pedestal en Modo H en Tokamaks / Study of L-H transitions and H-mode pedestal in tokamaks (L2HPED)

Reference: PID2021-127727OB-I00

Funding Umbrella: Plan Estatal de Investigación Científica y Técnica y de Innovación 2021-2023

Funding Programme: Programa Estatal para Impulsar la Investigación Científico-Técnica y su Transferencia

Subprogramme: Subprograma Estatal de Generación de Conocimiento

Programme and date: Proyectos de Generación de Conocimiento 2021

Programme type/ Modalidad: Investigación Orientada Tipo B

Area/subarea: Ciencias Físicas/Física y sus aplicaciones

Principal Investigator(s): Emilia R. Solano and Elena de la Luna

Project type: Individual

Start-end dates: 01/09/2022 - 31/08/2026

Financing granted (direct costs/indirect costs): €90,000 / €18,900

Acknowledgement: Grant PID2021-127727OB-I00 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by ERDF A way of making Europe

Description of the project

Con este proyecto queremos mejorar la calidad de las predicciones sobre los plasmas de ITER y DEMO, que son los próximos equipos de fusión y el foco del programa de confinamiento magnetico europeo.

La propuesta aborda 3 aspectos fundamentales de la operación de ITER asociados a la física del pedestal: la transición L-H, regímenes de ELMs pequeños, y el "Quiescent H-mode", también llamado mode QH, sin ELMs.

En cuanto a la transición L-H, proponemos continuar el trabajo experimental en el JET, especialmente ahora que hemos empezado a obtener datos de la transición L-H en mezclas de tritio y deuterio-tritio (las más relevantes para la fusión), en el JET-ILW, con pared de Be y divertor de Wolframio. El trabajo experimental de la transición L-H implica la coordinación del equipo, el diseño del experimento, la preparación, la ejecución, el análisis de los datos y su interpretación.

En términos de la teoría L-H, estamos investigando la naturaleza del modo M, una oscilación magnética n=0, m=1 observada en el inicio del modo H. En los datos disponibles de los estudios de transición LH en plasmas calentados por radio-frecuencia en JET, la frecuencia del modo M parece escalar con la corriente de plasma dividida por la raíz cuadrada de la densidad de masa de los iones, lo que indica que posiblemente sea una onda poloidal de Alfvén. Nuestro objetivo es desarrollar modelos analíticos y numéricos de ondas Alfvén poloidales superficiales, para explicar las frecuencias observadas empíricamente.

Experimentos recientes en JET-ILW han demonstrado que es posible obtener simultáneamente buen confinamiento en modo H, en condiciones estacionarias para la densidad y la temperature y con ELMs pequeños. Estos resultados se han obtenido con baja collisionalidad en el pedestal y utilizando el escenario básico (Baseline) de ITER (con $q_{95}=3$, $H_{98}=1$ y $\beta _{N}=2$). Esto hace de este nuevo regimen de operacion muy diferente de lo que se ha observado previamente en otros dispositivos de fusion (AUG, DIII-D y JT-60U. En este proyecto nos proponemos investigar la física responsable de la aparición de ELMs pequeños, el buen confinamiento y la ausencia de acumulación de impurezas en estas condiciones. Pretendemos contribuir a una mejor comprensión de los mecanismos físicos que afectan a la estabilidad del pedestal, a la turbulencia y al transporte de impurezas en la región del pedestal y del núcleo y, como resultado, contribuir a aumentar la precisión de las extrapolaciones para el ITER y otros dispositivos futuros.

En cuanto a los regímenes sin ELMs, proponemos investigar el modo QH. El modo QH es un estado estacionario del plasma, de interés potencial para ITER y DEMO. Ha sido una prioridad del programa DIII-D porque permite el acceso a pedestales calientes con alto confinamiento del núcleo y sin ELMs. No se sabe si puede desarrollarse y mantenerse con un diveror de Wolframio y una pared de Berilio.

Actualmente, Eurofusion está considerando la posibilidad de realizar futuros experimentos en modo QH en las campañas experimentales del JET 2022-2023. Si se aprueba, este proyecto contribuiría a ellos. En cualquier caso, nos uniríamos a la colaboración entre AUG y DIIID para ejecutar y analizar experimentos de similitud.

Project Documentation

• Memoria Cientifico Tecnica - Convocatoria 2021 "Proyectos de Generación de Conocimientos"
• Informe Intermedio (Nov/2024)

Follow-up/Seguimiento

• Approval/Autorización 13/05/2024, Start Contract: 30/05/2024
• Change request/Solicitud de modificación 16/04/2024, subcontract tomography analysis

Dissemination of project results (peer-reviewed publications and conference presentations)

Peer-reviewed articles directly related to the L2HPED Project (since Sept/2022)

1. Power balance analysis at the L-H transition in JET-ILW NBI-heated deuterium plasmas P Vincenzi, E.R. Solano et al. Plasma Phys. Control. Fusion 64, 124004 (2022)
2. Effect of the divertor configuration on the JET edge radial electric field C Silva, ER Solano, et al, Nuclear Fusion 62 (12), 126057 (2022)
3. The role of isotope mass and transport for H-mode access in tritium containing plasmas at JET with ITER-like wall, G Birkenmeier, ER Solano, ... E de la Luna et al, Plasma Physics and Controlled Fusion 65 (5), 054001 (2023)
4. LH transition studies in tritium and deuterium–tritium campaigns at JET with Be wall and W divertor, E.R. Solano, G. Birkenmeier, C. Silva, E. Delabie, J.C. Hillesheim, (…), E. de la Luna, et al., Nuclear Fusion 63, 112011 (2023) (Special Issue of Papers Presenting Results from the JET Tritium and Deuterium/Tritium Campaign)
5. Experimentally corroborated model of pressure relaxation limit cycle oscillations in the vicinity of the transition to high confinement in tokamaks O. Grover, P. Manz, A.Y. Yashin, D.I. Réfy, J. Seidl, N. Vianello, G. Birkenmeier, E.R. Solano et al, Nucl. Fusion 64, 026001 (2024)
6. Exploring the physics of a high-performance H-mode scenario with small ELMs at low collisionality in JET with Be/W wall E. de la Luna, J. Garcia, M. Sertoli, ... E.R. Solano et al., Nuclear Fusion 64, 096014 (2024)
7. Helium plasma operations on ASDEX Upgrade and JET in support of the non-nuclear phases of ITER A. Hakola et al., Nucl. Fusion 64, 096022 (2024)
8. Stable Deuterium-Tritium plasmas with improved confinement in the presence of energetic-ion instabilities J. Garcia, Y. Kazakov, R. Coelho, M. Dreval, E. de la Luna, E.R. Solano et al. Nature Communications 15, 7846 (2024)
9. Turbulent transport mechanisms and their impact on the pedestal top of JET plasmas with small-ELMs M. Dicorato, M. Muraglia, Y. Camenen, J. García... E. de la Luna, et al., Plasma Phys. Control. Fusion 66, 125002 (2024)
10. Non-linear dependence of ion heat flux on plasma density at the L-H transition of JET NBI-heated Deuterium-Tritium plasmas. P. Vincenzi, E.R. Solano et al, Submitted to Nuclear Fusion in August 2024
11. Transport and Confinement Physics. R. M. McDermott, C. Angioni, Y. Camenen, J. Citrin, M. Jakubowski, …, E.R. Solano et al. Submitted to Nuclear Fusion in August 2024 (ITPA results Special Issue)
12. Progress in Pedestal and Edge Physics. M. Fenstermacher, P. Snyder, T. Osborne, S. Saarelma, …, E. de la Luna, … et al. Submitted to Nuclear Fusion in September 2024 (ITPA results Special Issue)

Conferences related to the L2HPED Project (since Sept/2022)

1. Observation of Edge Harmonic Oscillations in JET-ILW Deuterium (poster) E.R. Solano, P. Buratti, J.M. Fontdecaba, D. Brunnetti, E. Viezzer et al. 64th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics, Spokane, Washington, USA (October 17-21, 2022)
2. ELMy H-mode Helium plasma at JET-ILW (oral) M. Maslov, M. Dunne, L. Garzotti, R. Henriques, A. Loarte, C. Lowry, E.R. Solano, O. Sauter, P. Bohm, P Bilkova and JET Contributors 49th EPS Conference on Plasma Physics, Bordeaux, France (July 3-7, 2023)
3. Influence of impurity radiation loss on the LH transition power threshold (poster) E. Pawelec, W. Gromelski, A. Chomiczewska, E.R. Solano, …, J.C. Hillesheim, et al. 49th EPS Conference on Plasma Physics, Bordeaux, France (July 3-7, 2023)
4. The L-H transition: new results from the JET Tritium and Deuterium-Tritium campaigns (plenary) E.R. Solano et al. Plasma 2023 – International Conference on Research and Applications of Plasmas, Warsaw, Poland (18 September 2023)
5. Characterization of L-H transition density branches in JET D-T plasmas through a power balance analysis (poster) P. Vincenzi, E.R. Solano, P. Carvalho, E. Delabie et al. 20th European Fusion Theory Conference, Padova, Italy (October 2-5, 2023)
6. Gyrokinetic Simulations of JET pedestal top plasmas in different regimes (poster). M. Dicorato, M. Muraglia, Y. Camenen, J. García, X. Garbet, et al. 20th European Fusion Theory Conference, Padova, Italy (October 2-5, 2023)
7. L-H transition physics results from recent tritium and deuterium-tritium campaigns at JET (oral). E. R. Solano et al. 29th IAEA Fusion Energy Conference, London, UK (16-21 Octubre, 2023) IAEA-CN-316 (EX/2-1)
8. Experimental conditions to access high-performance H-mode plasmas with small ELMs at low collisionality in JET-ILW (poster) E. de la Luna, M. Dunne, P. Lomas, C. Reux, E. R. Solano, J. García, M. Faitsch, M. Poradzinski, G. Pucella, S. Mennuir, R. Coelho, B. Labit, O. Sauter, E. Viezzer, M. Wischmaier, JET contributors and the EUROfusion Tokamak Exploitation team. . 29th IAEA Fusion Energy Conference, London, UK (16-21 Octubre, 2023) IAEA-CN-316 (EX/P-2603)
9. L-H TRANSITION RESULTS FROM RECENT TRITIUM AND DEUTERIUM-TRITIUM CAMPAIGNS AT JET (oral). E. R. Solano and the JET L-H transition team. 42nd ITPA PEP Meeting, Culham, UK, 23rd October 2023.
10. HIGH-PERFORMANCE PLASMAS WITH SMALL ELMS AT LOW COLLISIONALITY IN JET-ILW (oral). E. de la Luna, M. Dunne, P. Lomas, C. Reux, E.R. Solano, J. García, M. Faitsch, M. Poradzinski, G. Pucella and JET contributors. 42nd ITPA PEP Meeting, Culham, UK, 23rd October 2023.
11. Turbulent transport at the pedestal top of small-ELM plasmas at JET: key mechanisms and their impact (oral) M. Dicorato, M. Muraglia, Y. Camenen, J. García, X. Garbet, D.R. Hatch, G. Merlo, E. de la Luna and JET Contributors. 50th EPS Conference on Plasma Physics Salamanca, (8-12 July, 2024)
12. Potential research programme for JET with W wall and ECRH (poster)and paper by E. R. Solano, J. Ongena and JET petition contributors. 50th EPS Conference on Plasma Physics Salamanca, (8-12 July, 2024). Winner of the People's choice award for the best poster of the conference.
13. Pedestal structure and stability of high-performance scenarios with I-mode-like pedestals in JET with the Be/W wall (oral) and (poster) E. de la Luna, J. García, M. Dunne, Y. Kazakov, E. R. Solano, E. Delabie, M. Faitsch, L. Frassinetti, JET contributors and the EUROfusion TE team. 19th International Workshop on H-mode Physics and Transport Barriers, Mito (Japan), 21-24 September 2024.

Other publications/conferences derived from collaborations maintained during the execution of the project and that could be relevant to the L2HPED Project (since Sept/2022)

• Overview of Deuterium-Tritium results from JET-ILW experiments (invited). E. de la Luna on behalf of JET contributors. 64th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics, Spokane, Washington, USA (October, 2022, 17-21)
• . Prospects of core–edge integrated no-ELM and small-ELM scenarios for future fusion devices, E Viezzer,..., E R Solano, Nuclear Materials and Energy 34, 101308 (2023)
• The JET hybrid scenario in Deuterium, Tritium and Deuterium-Tritium J. Hobirk, CD Challis, A Kappatou, E Lerche, D Keeling, …, J García, …, E de la Luna, …,ER Solano et al. “ Nuclear Fusion 63, 112001 (2023)
• JET D-T scenario with optimized non-thermal fusion M. Maslov, E. Lerche, F. Auriemma, E. Belli, C. Bourdelle, …, J. García, …, E. de la Luna, …,E.R. Solano et al. “ Nuclear Fusion 63, 112002(2023)
• Effect of the isotope mass on pedestal structure, transport and stability in D, D/T and T plasmas at similar βN and gas rate in JET-ILW type I ELMy H-modes L. Frassinetti, C. Perez von Thun, B. Chapman-Oplopoiou, H. Nystrom, M. Poradzinski, J.C. Hillesheim, …, E.R. Solano et al. Nuclear Fusion 63, 112009 (2023)
• Divertor power load investigations with deuterium and tritium in type-I ELMy H-mode plasmas in JET with the ITER-like wall M. Faitsch, I. Balboa, P. Lomas, S.A. Silburn, A. Tookey, D. Kos, A. Huber, E. de la Luna, D. Keeling, A. Kappatou and JET contributors. Nuclear Fusion 63, 112013(2023)
• Experiments in high-performance JET plasmas in preparation of second harmonic ICRF heating of tritium in ITER M.J. Mantsinen, ..., E. de la Luna,... E.R. Solano et al, Nuclear Fusion 63, 112015 (2023)
• Observation of alpha-particles in recent D–T experiments on JET V.G. Kiptily, …, E. R. Solano,… et al. Nuclear Fusion, 086059 (2024)
• Overview of T and D–T results in JET with ITER-like wall C.F. Maggi et al. Nuclear Fusion 64, 112012 (2024)

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